食品包裝用納米技術及其納米復合材料淺析

魏風軍

納米技術與納米材料

一般而言，納米技術是指通過特定的技術設計在納米粒子的表面實現原子或分子的排列組合，使其產生某種特殊的結構，并表現特定的技術性能或者功能的一種技術。

在納米技術領域，當某種物質達到納米尺度時，其性能就會發(fā)生突變，出現某種特殊性能。它的結構既不同于原來的原子及分子結構，也不同于宏觀的物質的特殊性能構成的材料，這種材料即為納米材料。納米材料可分為兩個層次：納米超微粒子材料與納米固體材料。納米超微粒子材料是指其粒子尺寸在1～100nm的超微粒子，而納米固體材料則指的是由納米超微粒子制成的固體材料，通常人們習慣于將組成或晶粒結構控制在100nm以下的長度尺寸稱為納米材料。

納米技術與納米復合材料在食品包裝上的應用

納米材料是納米技術最重要的基礎，在1～100nm尺寸范圍內的納米材料具有其獨特的尺寸效應，因而會呈現出許多大塊材料不具備的特殊性質，如優(yōu)異的物理化學性能、較好的力學性能、優(yōu)良的加工性能、較好的生態(tài)性能等。在食品包裝領域，目前研究較多的是以聚合物為基底的納米復合材料，該種納米復合材料是通過向柔性較好的高分子聚合物中加入納米尺寸的分子或者納米顆粒制備而成的。它主要分為無機納米材料和有機聚合物。目前，在食品包裝中，納米復合包裝材料中應用較為廣泛的包括硅酸鹽—環(huán)氧樹脂納米復合材料、納米蒙脫石粉/PA類、納米SiO2/PP類等。

1.納米銀

納米銀材料是一種良好的食品保鮮包裝材料，當向食品保鮮包裝材料中加入一定的納米粉時，該包裝材料中乙烯的氧化速度會被大大加快，使得保鮮效果大大提高；又由于納米銀材料具有良好的耐光性、耐熱性和化學穩(wěn)定性，所以其抑菌性能優(yōu)越；此外，納米銀不易揮發(fā)、溶出，不會因光照引起顏色改變而污染食品。

劉偉等人研究了納米銀對G+菌、G-菌及酵母菌和霉菌的抑制效果，相同濃度下，對3種菌的作用大小為G+菌>G-菌>酵母菌和霉菌。另外，銀的濃度和作用時間對納米銀的抑制作用有很大影響。陳江魁在光照條件下，分別測試了納米銀對4種細菌和1種酵母菌的抗菌性能，結果顯示了理想的抑菌效果。李新林等人研究了納米銀對海參腐敗中優(yōu)勢菌株或海參腐敗中所有菌的抑制效果，發(fā)現納米銀的質量濃度為0.05mg/L時，僅僅需要12小時就殺滅80%左右的細菌。宋益娟等人利用納米銀與聚乙烯制備的保鮮袋對新鮮醬鴨進行包裝，發(fā)現該材料能較好地保持醬鴨的風味，降低鴨肉中揮發(fā)性鹽基氮的產生，并抑制微生物的生長繁殖。李新林將納米銀淀粉液涂膜在鮑魚表面，研究在微波凍干過程中，納米銀涂膜材料對鮑魚表面細菌總數的影響，結果表明納米銀淀粉液的質量濃度為0.3mg/L時，鮑魚表面的菌落總體數量下降了99.2%，且鮑魚的干燥效率不受納米銀涂膜的影響。曹雪玲研究發(fā)現納米銀膠對草莓具有很好的保鮮效果。

2.納米二氧化鈦

二氧化鈦是一種在紫外光下被激發(fā)的光催化劑，而納米二氧化鈦能夠對紫外線起到一定的防御作用，可以避免肉類食品的氧化，從而防止由于維生素流失與芳香化合物破壞導致的食品營養(yǎng)成分下降與腐爛。鈉米二氧化鈦在食品包裝應用領域有著十分廣泛地應用前景，同時它又作為一種新型食品包裝材料滿足了生態(tài)保護要求，在光照環(huán)境下還可以粘掉塑料、玻璃表面的油污、細菌等。如陳麗等人通過將納米二氧化鈦運用到PVC保鮮膜中制作出了可以隔絕氮氣的蘋果保鮮膜。納米二氧化鈦的孔狀結構可以為納米銀提供更多的觸點，可以優(yōu)化納米銀單體的易于流失的缺陷，進一步強化了納米包裝材料的安全性。這點值得業(yè)內研究人員深入探討。

3.納米氧化鋅

納米氧化鋅是一種無毒、成本低、使用便捷、生物相容性優(yōu)良的無機金屬氧化物，同時也是一種能夠被紫外光激發(fā)的半導體材料，具有良好的光催化活性。基于納米氧化鋅良好的光催化活性，其在食品包裝領域中也有廣泛的應用。日本學者Sawai等通過實驗研究發(fā)現，納米氧化鋅粉體通過接單接觸能夠有效抑制大腸桿菌與金黃色葡萄球菌，而且抑制效果良好。這對于食品包裝材料的延伸性應用也很有意義。

4.殼聚糖/二氧化鈦納米復合材料

據相關研究，根據天然抑菌材料殼聚糖和無機抑菌材料納米二氧化鈦的獨特物化特性，以穩(wěn)態(tài)流變行為及動態(tài)黏彈行為為評價依據，通過納米粒子表面改性、CTS/TiO2納米復合材料構建、涂料組分全面優(yōu)化等手段即可制備高性能的CTS/ TiO2納米復合抑菌涂料。胡秀蘭等人的實驗結果表明采用月桂酸鈉對納米二氧化鈦表面改性，可明顯改善其在殼聚糖體系中的分散穩(wěn)定性；并且隨著納米二氧化鈦用量的增加，納米復合涂料的穩(wěn)態(tài)表觀黏度及動態(tài)黏彈性能都呈現明顯的下降趨勢；而紙張涂布試驗結果顯示，涂料中納米二氧化鈦的加入，可賦予涂布紙較好的抑菌性能，并有助于提高涂布紙的力學性能與阻隔性能。具體來說，試驗證明納米二氧化鈦的加入量為10%時，涂布紙的力學性能及抑菌性能均達到較佳水平，抑菌紙對大腸桿菌的抑菌率達到99.8%。另外，掃描電鏡測試顯示，未涂布紙張纖維表面呈現多孔狀，CTS/TiO2納米復合涂料涂布后的抑菌紙表面形成了均勻的聚合物涂層，平滑度明顯得到改善，即CTS/TiO2納米復合涂料在抑菌包裝材料方面顯示出較好的應用潛力。此外基于濕部形成技術可以得到抑菌紙，研究結果表明此種抑菌紙具有較好的力學性能，在食品保鮮包裝方面具有較好的應用前景。

5.類石墨相氮化碳

這是一種新型無機納米材料，具有廉價、高安全性、無毒等眾多優(yōu)點，通過將冷等離子體表面處理技術與靜電紡絲技術相結合，便可制得負載經等離子體表面改性g-C3N4顆粒的抗菌纖維膜，實驗表明它可廣泛應用于蔬菜的貯藏保鮮中。因為利用靜電紡絲法制備的 g-C3N4-Plasma納米纖維抗菌膜，g-C3N4均勻分散在纖維中，纖維直徑均勻、結構穩(wěn)定。作用24小時后，鋁箔紙、牛皮紙、保鮮膜等不同載體上的g-C3N4-Plasma納米纖維膜的殺菌率均達到99.4%以上。在作用4天時，鋁箔紙、牛皮紙、保鮮膜等載體上的g-C3N4-Plasma納米纖維膜對小番茄、青椒、黃瓜、胡蘿卜4種蔬菜上的大腸桿菌O157∶H7的殺菌率依然保持在99%左右。此外，感官評價實驗結果還顯示，g-C3N4-Plasma納米纖維抗菌膜能夠較好的保持蔬菜的顏色、風味等主要特性。

6.PVA基納米二氧化硅復合包裝材料

聚乙烯醇（PVA）具有可降解、衛(wèi)生、安全性好等優(yōu)點，因而在食品涂膜保鮮包裝方面展示出廣闊的前途，但其良好的親水性能使其成膜后有較高的透水性而影響其在食品保鮮包裝上的應用。納米SiO2作為一種改性材料可與許多高分子聚合物樹脂復合，從而提高聚合物的包裝效能特性及用于食品包裝的保鮮效果。實驗結果表明PVA基納米Si02復合材料涂膜包裝咸鴨蛋，能有效阻止咸鴨蛋水分散失、抑制微生物生長繁殖、降低揮發(fā)性鹽基氮的產生，可在6個月儲藏期內較好地保護咸鴨蛋的色澤和風味。

7.納米改性PVA-液體石蠟復合包裝材料

聚乙烯醇（PVA）易成膜和降解，在食品涂膜保鮮包裝方面展示出廣闊的前途。但其因具有良好的親水性而使其成膜后有較高的透濕性等原因，影響其在食品保鮮包裝上的應用。液體石蠟屬于疏水性油脂類物質，具有很好的阻隔保鮮性能。通過采用復合乳化劑對聚乙烯醇和液體石蠟進行乳化，并添加納米SiO2、TiO2對其進行改性，優(yōu)化分析其工藝制備條件和性能，便可得到對鮮蛋貯藏保鮮效果良好的納米改性PVA-液體石蠟復合涂膜包裝材料。

8.納米改性抗菌聚乙烯醇

經有機改性的DK4型MMT與PVA分子有著很好的相容性，改性復合薄膜的微觀結構表征光滑完整，薄膜結構更加致密均勻。添加了不同濃度的DK4型MMT，均不同程度地提高了PVA薄膜的抗拉強度和熱穩(wěn)定性，降低了薄膜的斷裂伸長率、吸水性、水蒸氣透過系數、透光率。其中，含有3% DK4型MMT的納米復合薄膜有著最大的抗拉強度，含有5% DK4型MMT的納米復合薄膜有著最小的吸水率；添加1% DK4型MMT的納米復合薄膜的熱穩(wěn)定性、耐水性、抗張強度都有著不同程度的提高，同時該薄膜還有著良好的透光性和較低的霧度，具有最佳改性效果；不同濃度及配比的MMT及山梨酸鉀與PVA母粒有著很好的成膜性，并且復合薄膜有著良好力學性能、光學性能、高氧阻隔性及一定的抗菌性能。張勇等人利用復合薄膜在常溫條件下對半干魚進行包裝并研究其防霉保鮮效果，結果表明在半干魚保鮮實驗中，相對于對照組，含有CA的改性PVA薄膜均體現了良好的防霉效果，其中含有質量分數為2%的檸檬酸的改性PVA薄膜防霉效果最佳。

結束語

納米技術在食品包裝中的應用主要體現在納米抗菌、保鮮、高阻隔性3個方面，現代食品包裝行業(yè)已進入納米時代，納米技術大大推動了食品包裝的發(fā)展；但是其安全性也是不可忽視的一項重要因素。總的來說，納米材料、納米技術與納米復合包裝材料的發(fā)展將會有力推動食品包裝的創(chuàng)新發(fā)展，在未來的發(fā)展過程中納米材料的安全性也會是一個較為受關注的熱點，將會對食品包裝應用納米材料提供重要的依據。